JP2008242390A - 回折光学素子およびそれを有する光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 回折格子の材料として、ガラスモールド用材料を用いても、適切なる形状の回折格子の格子部が得られ、広い波長域にわたり、高い回折効率が容易に得られる回折光学素子を得ること。
【解決手段】 回折格子と、該回折格子を構成する格子部の先端部に、該格子部の材料Ｇとは異なる材料Ａより成り、位相変化を生ずる位相補償部が設けられている素子部を少なくとも１つ有すること。
【選択図】図２

Description

本発明は、回折光学素子およびこれを有する光学系に関し、可視波長域において高い回折効率が得られ、ビデオカメラやデジタルカメラ、そしてテレビカメラ等の光学機器に用いる光学系に好適なものである。

光学系（レンズ系）の色収差を減じる方法として、互いに異なった硝材の組み合わせによる方法が知られている。この他、光学系の一部に回折作用を有する回折光学素子を設ける方法が知られている（非特許文献１、特許文献１）。

この回折光学素子には、色収差の補正の他、その周期的構造の周期を適宜変化させることで非球面レンズ的な効果を持たせることができることが知られている。

回折光学素子を有する光学系において、使用波長領域における光束が特定の１つの次数（以下、「特定次数」又は「設計次数」ともいう）の回折光に集中している場合は、それ以外の回折次数の回折光強度は低いものとなる。ある次数の回折光の強度が０の場合はその次数の回折光は存在しない。

設計次数以外の次数の回折光が存在し、それがある程度の強度を有する場合は、設計次数の光とは別な所に結像（集光）するため、光学系に用いたときは、これらの光はフレア光となる。

従って、回折光学素子を用いて光学系の収差を低減するためには、使用波長領域全域において設計次数の回折光の回折効率が十分高くなるようにすることが必要となる。このため回折光学素子を用いる光学系では設計次数での回折効率および設計次数以外の回折光についても十分考慮することが必要となる。

図１２は、基板３０２とこの基板３０２上に形成された１つの回折格子３０１とからなる従来の回折光学素子（以下、「単層型ＤＯＥ」と言う）の要部断面図である。図１３は、この単層型ＤＯＥをある面に形成した場合の特定次数に対する回折効率の特性の説明図である。

図１３において、横軸は入射光の波長を、縦軸は回折効率を示している。回折効率の値は、全透過光束の光量に対する各次数での回折光の光量の割合であり、格子境界面での反射光などは説明が複雑になるので考慮していない値になっている。

図１３に示すように、図１２に示した単層型ＤＯＥは、１次の回折次数（図中に太い実線で示す）において使用波長領域で最も回折効率が高くなるように設計されている。即ち、設計次数は１次である。

この設計次数で回折効率はある波長で最も高くなり（以下、この波長を「設計波長」という）、それ以外の波長では徐々に低くなる。この設計次数での回折効率の低下分は、他の次数の回折光となり、光学系に用いたときはフレア光となる。

図１３には、この他の次数として設計次数１次の近傍の次数（設計次数１±１次の０次回折光と２次回折光）の回折効率も併せて併記している。

従来、このときのフレア光の影響を低減する構成が知られている（特許文献２〜６）。

図１４は特許文献２に開示されている回折光学素子の要部断面図である。

特許文献２に開示されている回折光学素子は、３種類の異なる格子材料３０６〜３０８と２種類の異なる格子厚ｄ１，ｄ２より成る格子部とを最適に選び、複数の回折格子を等しいピッチ分布で密着配置している。

このような構成をとることによって、図１５に示すように、設計次数において可視域全域にわたって高い回折効率を得ている。

図１６は特許文献３に開示されている回折光学素子の要部断面図である。

特許文献３にて開示されている回折光学素子は、回折格子をそれぞれ含む素子部２０２，２０３を空気層２１０を介して互いに近接させた構造（以下、「積層型ＤＯＥ」という）２０１より成っている。各回折格子を構成する材料の屈折率、分散特性（アッベ数νｄ）および各層の格子部の格子厚等を最適化することにより、図１７に示すように、設計次数において可視領域全域にわたって高い回折効率を得ている。

また、特許文献４に開示されている回折光学素子は、回折格子の材料としてガラスモールド用材料を用いることで、簡素な構造でありながら、可視域全域にわたって高い回折効率を得ている。

ガラスモールド用材料には、樹脂材料には無い屈折率特性を持ち、回折光学素子の回折格子にガラスモールド用材料を用いると設計の自由度が増える利点がある。

また、ガラスモールド用材料は温度・湿度等の環境変化に強いという特徴もあるので、耐環境性に優れた回折光学素子が得られる。

ガラスは加熱して軟化した状態でも高い粘性を持っている。このため、ガラスモールド法のような成型型を用いて回折格子を作製する場合、型への充填性が悪いために、転写性が悪くなり、一般には鋸歯形状より成る格子部の先端部が丸くなる傾向がある。

格子部の先端が平面（直線）とならず丸くなるなどの形状変形が生じた場合は、所望の回折効率が得られずこれを光学系に用いるとフレア光が多く生じてくる。

これに対して特許文献５や特許文献６には、回折格子としてガラスモールド用材料を用いたときの回折格子パターン（凹凸パターン）を、段階的に成型することでパターンの転写性を向上させた技術を開示している。
SPIE Vol.1354 International Lens Design Conference(1990) 特開平４−２１３４２１号公報 特開平９−１２７３２２号公報 特開２０００−９８１１８号公報 特開２００５−１０７２９９号公報 特開２００４−１５１３７７号公報 特開２００４−２７１５８３号公報

回折格子の材料として、ガラスモールド用材料を用いると、簡素な構造でありながら、比較的高い回折効率を持った回折光学素子が容易に得られるという特長がある。

しかしながら、回折格子の材料としてガラスモールド用材料を用いて成型を行う方法は、型からの転写性が悪くなる。

特許文献５、６では、ガラスモールド用材料に対して、段階的に回折格子を成型することで転写性を向上させているがガラスモールド用材料を複数回成型すると、型の耐久性が悪くなり、生産性が下がってくる。

本発明は、型を用いて回折格子を製造するとき、回折格子の材料として、ガラスモールド用材料を用いても、適切なる形状の回折格子の格子部が得られ、広い波長域にわたり、高い回折効率が容易に得られる回折光学素子及びそれを有する光学系の提供を目的とする。

この他本発明は、回折格子の材料、及び格子部の形状を適切に設定することにより、回折効率が高く更に格子部の形状安定性に優れた回折光学素子及びそれを有する光学系の提供を目的とする。

本発明の回折光学素子は、回折格子と、
該回折格子を構成する格子部の先端部に、該格子部の材料Ｇとは異なる材料Ａより成り、
位相変化を生ずる位相補償部が設けられている素子部を少なくとも１つ有することを特徴としている。

この他本発明の回折光学素子は、回折格子と、
該回折格子を構成する格子部の先端部に、該回折格子の成型において生じた該格子部の鋸歯形状からの変化を改善する、該格子部の材料Ｇとは異なる材料Ａより成る位相補償部が設けられている素子部を少なくとも１つ有することを特徴としている。

本発明の回折光学素子の製造方法は、ガラスモールド用材料Ｇを加熱軟化させた後に、成型用型を押圧して鋸歯形状の格子部より成る回折格子を形成する工程と、
該回折格子の格子部の鋸歯形状からの変形による位相変化を補填するための該材料Ｇとは異なる材料Ａより成る位相補償部を該回折格子の格子部の先端部に補償用型を用いて成型する工程とを用いて回折光学素子を製造することを特徴としている。

本発明によれば、回折格子の材料として、ガラスモールド用材料を用いても、適切なる形状の回折格子の格子部が得られ、広い波長域にわたり、高い回折効率が容易に得られる回折光学素子及びそれを有する光学系の提供を目的とする。

この他本発明は、回折格子の材料、及び格子部の形状を適切に設定することにより、回折効率が高く更に格子部の形状安定性に優れた回折光学素子が得られる。

本発明の回折光学素子は、回折格子の成型によって生じた格子部の先端、もしくは谷部の鋸歯形状からの変形を、格子部の形成材料Ｇとは異なる材料Ａで補填した位相補償部を用いて格子部による光路長差を補正している。

この他、本発明の回折光学素子では回折格子の少なくとも一つ以上の格子部の先端部、もしくは谷部に格子部の設計値からの位相変化を伴う形状変形に対して格子部の先端部、もしくは谷部の上に、位相補償部を設けている。具体的には、格子部を形成する材料Ｇとは異なる材料Ａからなり、格子部の設計値（鋸歯形状）からの変形による位相変化を補償する位相補償部を設けている。

図１（ａ）は、本発明の実施例１の回折光学素子の要部正面図である。図１（ｂ）は
図１（ａ）の回折光学素子の要部側面図である。図２は、図１の回折光学素子をＡ−Ａ’線で切断したときの断面形状の一部を拡大して示した説明図である。

但し、図２の断面形状は格子部を格子深さ方向にかなりデフォルメされた図として示している。

回折光学素子１は、第１の素子部２と第２の素子部３とを有している。そして、それぞれの素子部２、３に形成された第１の回折格子８と第２の回折格子９とが回折光学面（格子面、回折面）８ａ、９ａを挟んで互いに密着するように重ね合わせた構成となっている。

第１、第２の回折格子８、９の格子部８ｂ、９ｂはいずれも設計値（理想形状）は鋸歯形状である。格子面８ａ、９ａのうち格子部８ｂ、９ｂの先端側（頂部、山部）は成型の際の形状変化により平面とならず丸みをおびた形状となっている。

図２に示すように、第１の素子部２は、第１の透明基板４と、格子ベース部６およびこの格子ベース部６に一体形成された第１の回折格子８からなる第１格子形成層と、回折格子８の格子部８ｂの先端部に設けられた位相補償部１０を有している。

第1の回折格子８の格子部８ｂは、型による成型の際に設計形状の鋸歯形状から変形しており、その形状変形を補填するように格子部８ｂの頂部（山部）の一部に位相補償部１０を積層させた構造となっている。

第２の素子部３も第１の素子部２と同様に、第２の透明基板５と、この第２の透明
基板５上に設けられた格子ベース部７およびこの格子ベース部７に一体形成された第２の
回折格子９からなる第２格子形成層とを有している。

そして第１の回折格子８の格子部８ｂの格子面８ａと、第２の回折格子９の格子部９ｂの格子面９ａとが密着接合して回折光学素子１を構成している。

このように本実施例の回折光学素子１は、回折格子と、回折格子を構成する格子部の先端部に、格子部の材料Ｇとは異なる材料Ａより成り、位相変化を生ずる位相補償部が設けられている素子部を少なくとも１つ有している。

このときの位相補償部は、格子部の鋸歯形状からの変化による位相変化を補償する形状より成っている。

これら第１，第２の素子部２，３の全体で１つの回折光学素子１として作用する。

第１および第２の回折格子８，９は同心円状の格子形状からなり、径方向における格子部８ｂ、９ｂの格子ピッチが変化することで、レンズ作用を有する。

本実施例において、回折光学素子１に入射させる光の波長領域、すなわち使用波長領域は可視領域（波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ）である。第１および第２の回折格子８，９を構成する材料および格子部８ｂ、９ｂの格子厚さは、可視領域全体で１次の回折光の回折効率を高くするように選択されている。

位相補償部１０の材料は、第１の回折格子８を構成する材料の屈折率に近い材料を選択している。これにより格子部８ｂの鋸歯形状からの形状変形の影響を減少させており、形状変形の領域の大きさによって、位相補償部１０を構成する材料の屈折率を適切に選択している。

次に、本実施例の回折光学素子１の回折効率について説明する。

図１２に示す通常の単層型ＤＯＥにおいて、設計波長がλ０の場合に、ある次数の回折光の回折効率が最大となる条件を考える。

光束が回折格子３０３のベース面（図２では点線で示す面８ｃ）３０４に対して垂直に入射する場合は、格子部３０１の山と谷の光学光路長差（つまりは、山と谷のそれぞれを通過する光線間における光路長差）が光束の波長の整数倍になることである。これを式で表わすと、
（ｎ０１−１）ｄ＝ｍλ０ ・・・（４）
となる。

ここで、ｎ０１は波長λ０の光に対する回折格子（格子部３０１）３０３の材料の屈折率である。また、ｄは格子部３０１の格子厚、ｍは回折次数である。

上記（４）式は波長の項を含むため、同一次数では設計波長でしか等号は成り立たず、設計波長以外の波長では回折効率は最大値から低下してしまう。

また、任意の波長λでの回折効率η（λ）は、
η（λ）＝ｓｉｎｃ２〔π｛Ｍ−（ｎ１（λ）−１）ｄ／λ｝〕 ・・・（５）
で表すことができる。

上記（５）式において、Ｍは評価すべき回折光の次数、ｎ１（λ）は波長λの光に対する回折格子の材料の屈折率である。また、
ｓｉｎｃ２（ｘ）は、＝｛ｓｉｎ（ｘ）／ｘ｝２
で表わされる関数である。

本実施例のように、２層以上の積層構造を持つ回折光学素子でも、回折効率に対する考え方の基本は同様である。

全層を通して１つの回折光学素子として作用させるためには、各層を構成する材料（空気等も含む）の境界に形成された回折格子の山と谷とでの光学光路長差を求める。そして、この光学光路長差を全回折格子にわたって加え合わせたものが波長の整数倍になるように格子形状その他の寸法を決定すれば良い。

従って、図１に示した回折光学素子１において、設計波長がλ０の場合に、回折次数ｍの回折光の回折効率が最大となる条件は、
±（ｎ０１−ｎ０２）ｄ１＝ｍλ０ ・・・（６）
となる。

ここで、上記（６）式において、ｎ０１は第１の素子部２における第１の回折格子８を形成する格子部８ｂの材料の波長λ０の光に対する屈折率である。ｎ０２は第２の素子部３における第２の回折格子９を形成する格子部９ｂの材料の波長λ０の光に対する屈折率である。また、ｄ１は第１の回折格子８の格子部８ｂ及び第２の回折格子９の格子部９ｂの格子厚である。

図２において、０次回折光から下向きに回折する光の回折次数を正の回折次数、０次回折光から上向きに回折する光の回折次数を負の回折次数とする。

上記（６）式での加減の符号は、図中上から下に格子厚が増加する格子形状を持つ回折格子の場合、正となる。

さらに、本実施例のように、第１の回折格子８が成型時の転写不良によって格子部８ｂの形状として所望の形状が得られなかった場合、その位相変化は形状変形部位の面積の割合に応じて大きくなる。

上記の回折格子において、補填する材料Ａは格子部を形成する材料Ｇよりも成型時の粘性が低いことが望ましい。例えば格子部を形成する材料Ｇがガラスモールド成型用材料の場合は、補填材料Ａに樹脂材料を含む材料を使用するとパターンの良好な転写性が得られる。

その際、格子部の形成材料Ｇと材料Ａの代表波長（例えばｄ線）における屈折率差ΔＮは、以下の条件式（１）を満足するように選択することが、高い回折効率を得る事が容易となる。

ΔＮ ＜ ０．０５ ・・・（１）
図１８は格子部８ｂと位相補償部１０の拡大説明図である。図１８においてＰは格子部８ｂの格子ピッチ、ｄは格子部８ｂの格子高さである。

ｈとｗは格子部８ｂの鋸歯形状からの形状変形部位の格子部の垂直方向の最大高さと幅である。

格子部の格子高さをｄ、格子ピッチをＰ、格子部の形状変形部位の格子部の垂直方向の最大高さと幅をそれぞれｈ、ｗ、とする。このとき、以下の条件式を満たすのが良い。これによればさらに良好な回折特性を得ることができる。

（ｈ／ｄ）×（ｗ／Ｐ）×ΔＮ ＜ １．０×１０^−３ ・・・（２）
その際、材料Ａからなる層（回折格子）の格子部の垂直方向の最小厚さをｄｍｉｎ、ｄ線の波長をλとするとき、以下の条件式（３）を満足すると、さらに良好な回折特性を得ることができる。

ｄｍｉｎ／λ ＜ １２ ・・・（３）
つまり本実施例のような２層構造の場合、格子部８ｂによるその位相差は、下記の値に応じて大きくなる。

（ｈ／ｄ）×（ｗ／Ｐ）×（ｎ０１−ｎ０２） ・・・（７）
ここで、形状変形部位に、回折格子８の格子部８ｂを構成する材料の屈折率に近い材料を用いることで、式（７）は以下のようになる。

（ｈ／ｄ）×（ｗ／Ｐ）×（ｎ０１−（ｎ０１＋ΔＮ）） ・・・（７ａ）
これを変形すると、
（ｈ／ｄ）×（ｗ／Ｐ）×（ΔＮ） ・・・（７ｂ）
となり、格子部８ｂの位相差が小さくなり、回折効率の劣化を減少させることができる。

図２に示した回折光学素子１において、第１の回折格子８に、スミタ光学ガラス（株）製ガラスモールド材料ＶＣ８０（Ｎｄ＝１．６９４、νｄ＝５３．１）を用いた。また、回折格子８の格子部８ｂの格子厚は７．６５μｍ、回折ピッチは１５０μｍである。

ここでガラスモールド材料とは屈状点温度が６００℃以下のガラス材料である。

このとき、第１の回折格子８には、格子部８ｂに成型時における鋸歯形状からの変形が生じており、格子部８ｂの先端部（頂部）が丸みを帯びた形状となっている。その大きさは、半径５．５μｍ程度の円弧状になっている。

さらに、第１の回折格子８を成型する際に生じた格子部８ｂの形状変形を補填する位相補償部１０の材料として、ポリビニルカルバゾール（Ｎｄ＝１．６９６、νｄ＝１７．７）を用いた。

一方、第２の回折格子９には、プラスチック材料ポリカーボネイト（以下ＰＣ、Ｎｄ＝１．５８、νｄ＝３０．５、帝人化成）をベース材として、ＩＴＯ微粒子を体積比率で１３．５％混合した材料（Ｎｄ＝１．６１７、νｄ＝１８．９）を用いた。

図３（ａ）には、この回折光学素子１の設計次数である１次での回折効率特性を示している。また、比較例として図３（ｂ）に、本実施例のように位相補償部１０を設けない場合の回折効率特性を示す。

これらの特性図、図３（ａ）、（ｂ）からも分かるように、従来の格子部の形状変形の位相補償を行っていない回折光学素子の回折効率は、可視領域において全域で９８％以下である。これに対し、本実施例においては、ほぼ全域で９８％以上得られており、これに伴い不要次数のフレア光が発生しにくくなっている。

尚、各実施例において、更に好ましくは条件式（１）〜（３）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

ΔＮ ＜ ０．０４５ ・・・（１ａ）
（ｈ／ｄ）×（ｗ／Ｐ）×ΔＮ ＜ ０．６×１０^−３ ・・・（２ａ）
ｄｍｉｎ／λ ＜ １０ ・・・（３ａ）
本実施例の回折光学素子は、回折格子と、回折格子を構成する格子部の先端部に、回折格子の成型において生じた格子部の鋸歯形状からの変化を改善する、格子部の材料Ｇとは異なる材料Ａより成る位相補償部が設けられている素子部を少なくとも１つ有している。

このような構成をとることにより、粘性が悪い材料を回折格子の格子材料に選択しながらも、十分使用可能な高い回折効率を実現し、かつ耐環境性に優れた回折光学素子を得ている。

次に本発明の実施例２の回折光学素子について説明する。

本発明の実施例２の回折光学素子は、実施例１と同様の素子構成より成っている。

本実施例は図２に示した回折光学素子１において、第１の回折格子８に、スミタ光学ガラス（株）製ガラスモールド材料Ｋ−ＦＫ５（Ｎｄ＝１．４８８、νｄ＝７０．５）を用いた。また、第１の回折格子８の格子部８ｂの格子厚は９．３μｍ、回折ピッチは１５０μｍである。

このとき、第１の回折格子８には、格子部８ｂに成型時における鋸歯形状からの形状変形が生じており、格子部８ｂの先端部が直線（平面）とならず丸みを帯びた形状となっている。その大きさは、半径７μｍ程度の円弧状になっている。

さらに、第１の回折格子８を成型する際に生じた格子部８ｂの形状変形を補填する材料として、ポリメタクリル酸メチル（以下ＰＭＭＡと記述、Ｎｄ＝１．４９２、νｄ＝５７．４）を用いた。

一方第２の回折格子９には、フッ素樹脂サイトップ（旭硝子製Ｎｄ＝１．３４、νｄ＝９４）をベース材として、ＩＴＯ微粒子を体積比率で１５．３％混合した材料（Ｎｄ＝１．４２５、νｄ＝１７．８）を用いた。

図４には、この回折光学素子１の設計次数である１次での回折効率特性を示している。これらの特性図からも分かるように、可視領域全域において回折効率が９９％以上得られており、これに伴い不要次数のフレア光が発生しにくくなっている。

次に本発明の実施例３の回折光学素子について説明する。

実施例１、２においては、格子材料の選択を、ガラスモールド用材料と樹脂材料としたが、本発明の回折光学素子の回折格子の材料はこれに限定されるものではない。

実施例３においては、密着した２層の回折格子の格子材料の選択を、両方ともガラスモールド用材料とし、かつ、両方の格子部に位相補償部を設けている。

ここでガラスモールド用材料とは、屈状点温度が６００℃以下のガラス材料である。

図５は本発明の実施例の回折光学素子の断面図を示している。図５は実施例１と同様、図１の回折光学素子をＡ−Ａ’線で切断したときと同様の断面形状の一部を拡大して示している。

本実施例の回折光学素子１は、第１の素子部２と第２の素子部３とを有している。そして素子部２、３に形成された第１の回折格子８と第２の回折格子９とが回折光学面（格子面）８ａ、９ａを挟んで互いに密着するように重ね合わせた構成となっている。

図５に示すように、第１の素子部２は、第１の透明基板４と、格子ベース部６およびこの格子ベース部６に一体形成された第１の回折格子８からなる第１格子形成層と、回折格子８の格子部８ｂの先端部に設けられた位相補償部１０を有している。

第１の回折格子８の格子部８ｂは、型による成型の際に設計形状の鋸歯形状より変形しており、その形状変形を補填するように格子部８ｂの頂部の一部に位相補償部１０を積層させた構造となっている。

一方、第２の素子部３も第１の素子部２と同様である。即ち、第２の透明基板５と、この第２の透明基板５上に設けられた格子ベース部７およびこの格子ベース部７に一体形成された第２の回折格子９からなる第２格子形成層と、回折格子９の格子部９ｂの先端部に設けられた位相補償部１１を有している。

尚、格子部９ｂの先端部は格子部８ｂの谷部に相当する。従って格子部８ｂの谷部を位相補償部１１で補填した構成として取り扱うことができる。

第１の回折格子８の格子面８ａと、第２の回折格子９の格子面９ａとが密着接合されている。

これら第１，第２の素子部２，３の全体で１つの回折光学素子１として作用する。

図５に示した回折光学素子１において、第１の回折格子８の材料に、スミタ光学ガラス（株）製ガラスモールド材料ＶＣ８０（Ｎｄ＝１．６９４、νｄ＝５３．１）を用いた。また、第１の回折格子８の格子部８ｂの格子厚は１６．５５μｍ、回折ピッチは１５０μｍである。

一方、第２の回折格子９の材料に、スミタ光学ガラス（株）製ガラスモールド材料Ｋ−ＰＧ３９５（Ｎｄ＝１．６５８、νｄ＝３６．９）を用いた。

このとき、第１の回折格子８、第２の回折格子９の格子部８ｂ、９ｂには、成型時における形状変形が生じており、格子部８ｂ、９ｂの先端部が丸みを帯びた形状となっている。その大きさは、共に半径５μｍ程度の円弧状になっている。

さらに、第１の回折格子８、第２の回折格子９を成型する際に生じた格子部８ｂ、９ｂの形状変形を補填する位相補償部１０、１１の材料として、紫外線硬化樹脂（Ｎｄ＝１．６５０、νｄ＝２３．０）を用いた。

図６には、この回折光学素子１の設計次数である１次での回折効率特性を示している。これらの特性図からも分かるように、可視領域において回折効率がほぼ全域で９６％以上得られており、これに伴い不要次数のフレア光が発生しにくくなっている。

また、実施例３においては、２つの格子材料を共にガラスモールド用材料とすることで、より環境変化に対する特性変化が少ない回折光学素子を実現している。

次に本発明の実施例４の回折光学素子について説明する。

実施例１〜３においては、位相補償部を、型成型による格子部の形状変化分と同一とした。本発明はこれに限定されるものではない。実施例４においては、位相補償部が厚みを持った形状より成り、これを回折光学素子の一部としている。

図７は本発明の実施例３の回折光学素子の断面図である。

実施例４の回折光学素子の構成は実施例１と同様に、第１の素子部２と第２の素子部３とを、それぞれの素子部２、３に形成された第１の回折格子８と第２の回折格子９とが回折光学面８ａ、９ａを挟んで互いに密着するように重ね合わせた構成となっている。

また、図７に示すように、第１の素子部２は、第１の透明基板４と、格子ベース部６およびこの格子ベース部６に一体形成された第１の回折格子８からなる第１格子形成層と、回折格子８の格子部８ｂの先端部を含む周囲に設けられた位相補償部１０からなる。

このとき、位相補償部１０は格子部８ｂの格子厚方向にｄｍｉｎ（μｍ）の厚みが有り、かつ、径方向にｔ（μｍ）の厚みを有している。

本実施例においては、ｄｍｉｎは３μｍ、ｔは２μｍである。

一方、第２の素子部３は、第２の透明基板５と、この第２の透明基板５上に設けられた格子ベース部７およびこの格子ベース部７に一体形成された第２の回折格子９からなる第２格子形成層とを有している。

さらに第１の回折格子８の格子面８ａと、第２の回折格子９の格子面９ａとが密着接合されている。

本実施例のように位相補償部に厚みが生じている場合、格子部８ｂの格子厚方向の厚さｄｍｉｎは回折効率に対する敏感度は低い。但しｄｍｉｎが厚くなっていくと、第１の回折格子８と第２の回折格子９の間で得られる位相差がずれていくので、好ましくない。

この厚さｄｍｉｎは一般に使用する波長の１０倍以内がよいとされており、可視領域においては、前述の（３）式と同様な以下の式を満たすことが好ましい。即ち
ｄｍｉｎ／λ ＜ １２ ・・・（８）
ここで、λ（μｍ）は使用する波長の代表波長であり、例えばｄ線の５８７．６μｍである。

また、格子部８ｂの径方向の厚さｔに関しては、回折効率に対する敏感度はｄｍｉｎに対して高く、極力少なくすることが望ましい。

このため格子ピッチをＰとするとき、以下の式を満たすように構成すると良好な回折効率特性が得られる。

ｔ／Ｐ ＜ ０．０３ ・・・（９）
である。

次に実施例１〜４における条件式（１）〜（３）の対応値を以下の表１に示す。

実施例１〜４においては、２つの回折格子が互いに密着するように積層した構造のものを示したが、本発明の回折光学素子の構成はこれに限るものではない。

例えば、位相補償部を設けた回折格子を、空気層を介して他の回折格子と積層するような構造にしても同様の効果が得られる。

本発明の回折光学素子を作製する製法としては、例えば、次の各工程を用いている。

まず材料Ｇからなる格子部を成型用型を用いて作製する。そして、材料Ｇからなる格子部の先端部、もしくは谷部に形状変形が生じるような格子部を作製する工程を用いる。

次に、材料Ｇとは異なる材料Ａを材料Ｇからなる格子部の上に成型し、格子部の形状変形を材料Ａで補填する位相補償部を作製する工程とを用いる。これによって回折格子を作製することで、比較的簡易な製法で回折光学素子を作製している。

その際に、材料Ｇからなる格子部を成型する際の成型用型と、材料Ａからなる材料を位相補償部を成型する際の型を同一としても良い。これによれば本発明の回折光学素子の生産性を高めることができる。

次に、本発明の回折光学素子を作製する、具体的な製法方法について説明する。ここでは、図７に示した実施例４の回折光学素子１の製法を例にとって説明する。

図８は本発明の回折光学素子に係る製造方法の概略図である。図８において、５１は第１の回折格子８の表面の回折面８ａを形成するための型（成型用型）、５２は第１の回折格子８を形成する、ガラスモールド用材料、５３は基板（透明基板）である。

５４は格子部８ｂの先端の位相補償部１０を形成するための補償用型、５５は位相補償部１０を形成するための光エネルギー硬化型樹脂である。５６は紫外線である。５７は位相補償部１０と第１の回折格子８である。

５８は第２の回折格子９を形成するための光エネルギー硬化型樹脂である。

６０は硬化した第１、第２の樹脂５２、５８とガラス基板５３が一体化した複合型の回折光学素子である。

先ず、ガラスモールド用材料５２を加熱し軟化させた後、成型用型５１を押し当てて第１の回折格子８を形成する（図８（ａ））。型５１は表面に所望の回折条件を達成するため微細な鋸歯状の格子部が同心円状に形成されている。

作製された第１の回折格子８は、ガラスモールド用材料の高い粘性のため、格子部８ｂの先端部に丸みを帯びた形状変化を有している（図８（ｂ））。

次に、作製した第１の回折格子８上に、格子部８ｂの先端部の鋸歯形状からの変化による位相変化を補償するための光エネルギー硬化型樹脂５５を所要量滴下し、補償用型（成型用型）５４を位置決めを行った後押し当てる（図８（ｃ））。

この際に使用する補償用型５４は、場合によっては図８（ａ）にて使用した成型用型５１と同一のもの又は同一形状のものを使用することもできる。同一の型を用いると生産性の高い製造プロセスを得ることができる。

次に基板５３側から紫外線５６を照射することにより、樹脂５５を硬化させる（図８（ｄ））。

このとき、樹脂５５からなる位相補償層１０は格子部８ｂの格子厚方向に数μｍの厚みを持っている。

このようにして格子部８ｂの先端形状の位相補償を行った第１の回折格子８と位相補償部１０を有する素子部５７を型から離型する。その後、素子部５７上に、第２の回折格子を形成する光エネルギー硬化型樹脂５８を所要量滴下し、基板５３を押し当てて成型する（図８（ｆ））。

その基板５３上から紫外線５６を照射することにより、樹脂５８を硬化させる（図８（ｇ））。

これによって第２の回折格子９を成型している。

そして、型成型時の格子部８ｂの鋸歯形状からの変形による位相変化を補償し、高い回折効率を持った回折光学素子６０を作製している（図８（ｈ））。

以上のように本実施例においては、ガラスモールド用材料Ｇを加熱軟化させた後に、成型用型を押圧して鋸歯形状の格子部より成る回折格子を形成する工程を用いる。

次に回折格子の格子部の鋸歯形状からの変形による位相変化を補填するための該材料Ｇとは異なる材料Ａより成る位相補償部を該回折格子の格子部の先端部に補償用型を用いて成型する工程とを用いている。

このような各工程を用いることにより、広い波長域にわたり高い回折効率を有する回折光学素子を製造している。

図９は、本発明の回折光学素子を用いた、カメラ（スチルカメラやビデオカメラ等）の撮影（結像）用の光学系の要部断面図である。

図９において、１０１は屈折光学素子（例えば通常のレンズ素子）と回折光学素子を有する光学系（撮影レンズ）である。撮影レンズ１０１は内部に開口絞り１０２と前述した実施例のうちの１つの回折光学素子１を有する。

１０３は結像面に配置されたフィルム又はＣＣＤ等の撮影媒体である。回折光学素子１はレンズ機能を有する素子であり、撮影レンズ１０１中の屈折光学素子で発生する色収差を補正している。

そして、回折光学素子１は、各実施例にて説明したように、回折効率特性が従来のものに比べて大幅に改善されている。

このため、フレア光が少なく低周波数での解像力も高く、高い光学性能を有した光学系を実現している。

なお、本実施例では、開口絞り１０２の近傍に平板ガラス面に回折格子を設けた回折光学素子１を開示しているが、本発明はこれに限定するものではない。前述したように、回折光学素子１をレンズの凹面又は凸面上に回折格子を設けた構成としてもよい。さらに、撮影レンズ１０１内に回折光学素子１を複数個配置してもよい。

図１０には、本発明の回折光学素子を用いた双眼鏡の光学系（観察光学系）の要部断面図である。

図１０において、１０４は対物レンズ、１０５は倒立像を正立させるためのプリズム、１０６は接眼レンズ、１０７は評価面（瞳面）である。１は前述した実施例のうちの１つの回折光学素子であり、対物レンズ１０４の結像面１０３での色収差等を補正する目的で設けられている。

この観察光学系は、各実施例にて説明したように、回折効率特性が従来のものに比べて大幅に改善されている。このため、フレア光が少なく低周波数での解像力も高く、高い光学性能を有した光学系を実現している。

なお、本実施例では、平板ガラス面に回折格子を設けた回折光学素子１を開示した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。回折光学素子１をレンズの凹面又は凸面上に回折格子を設けた構成としてもよい。さらに、観察光学系内に回折光学素子１を複数個配置してもよい。

また、本実施例では、対物レンズ１０４に回折光学素子１を設けた場合を示したが、これに限らず、プリズム１０５の表面や接眼レンズ１０６内の位置に設けることもでき、この場合も先に説明したのと同様の効果が得られる。

但し、回折光学素子１を結像面１０３より物体側に設けることで対物レンズ１０４のみでの色収差低減効果があるため、肉眼の観察系の場合、少なくとも対物レンズ１０４に設けることが望ましい。

また、本実施例では、双眼鏡の観察光学系について説明したが、本発明の回折光学素子は、地上望遠鏡や天体観測用望遠鏡等の観察光学系にも適用することができる。さらにはレンズシャッターカメラやビデオカメラなどの光学式ファインダーにも適用することができる。これによっても先に説明したのと同様の効果が得られる。

図１１は、本発明の回折光学素子を有した光学系を撮影光学系としてもちいたデジタルスチルカメラ（撮像装置）の要部概略図である。

図１１において、２１は本発明の回折光学素子を有する光学系によって構成された撮影光学系である。２２はカメラ本体に内蔵され、撮影光学系２１によって形成された被写体像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）である。

２３は撮像素子２２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリである。２４は液晶ディスプレイパネル等によって構成され、固体撮像素子２２上に形成された被写体像を観察するためのファインダーである。

このように本発明の光学系をデジタルスチルカメラやビデオカメラ等の固体撮像素子を備える撮像装置（光学機器）に適用すると、フレアが少なく、十分な透明性を持ち、高い光学性能を有する撮像装置が得られる。

本発明の回折光学素子の正面図および側面図。 実施例１の回折光学素子の部分断面図。 実施例１の回折光学素子の設計次数での回折効率特性図。 実施例２の回折光学素子の設計次数での回折効率特性図。 実施例３の回折光学素子の部分断面図。 実施例３の回折光学素子の設計次数での回折効率特性図。 実施例４の回折光学素子の部分断面図。 本発明の回折光学素子の製造方法の説明図。 本発明の回折光学素子を用いた撮影光学系の構成図。 本発明の回折光学素子を用いた観察光学系の構成図。 本発明の撮像装置の要部概略図 従来の単層型回折光学素子の部分断面図。 従来の単層型回折光学素子の設計次数での回折効率特性を示すグラフ図。 従来の積層型回折光学素子の部分断面図。 従来の積層型回折光学素子の設計次数での回折効率特性を示すグラフ図。 従来の積層型回折光学素子の部分断面図。 従来の積層型回折光学素子の設計次数での回折効率特性を示すグラフ図。 本発明に係る回折光学素子の一部分の拡大説明図

符号の説明

１ 回折光学素子
２ 第１の素子部
３ 第２の素子部
４ 第１の基板
５ 第２の基板
６ 第１の格子ベース部
７ 第２の回折ベース部
８ 第１の回折格子
９ 第２の回折格子
１０ 第１の格子先端の位相補償部
１１ 第２の格子先端の位相補償部
１０１ 撮影レンズ（光学系）
１０２ 開口絞り
１０３ 結像面
１０４ 対物レンズ
１０５ プリズム
１０６ 接眼レンズ
１０７ 評価面（瞳面）

Claims (14)

1. 回折格子と、
   該回折格子を構成する格子部の先端部に、該格子部の材料Ｇとは異なる材料Ａより成り、
   位相変化を生ずる位相補償部が設けられている素子部を少なくとも１つ有することを特徴とする回折光学素子。
2. 前記位相補償部は、前記格子部の鋸歯形状からの変化による位相変化を補償する形状より成ることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
3. 回折格子と、
   該回折格子を構成する格子部の先端部に、該回折格子の成型において生じた該格子部の鋸歯形状からの変化を改善する、該格子部の材料Ｇとは異なる材料Ａより成る位相補償部が設けられている素子部を少なくとも１つ有することを特徴とする回折光学素子。
4. 前記材料Ｇと前記材料Ａのｄ線における屈折率差をΔＮとするとき、
   ΔＮ ＜ ０．０５
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の回折光学素子。
5. 前記格子部の格子高さをｄ、格子ピッチをＰ、該格子部の鋸歯形状からの形状変形部位の格子部の垂直方向の最大高さと幅をそれぞれｈ、ｗとするとき、
   （ｈ／ｄ）×（ｗ／Ｐ）×ΔＮ ＜ １．０×１０^−３
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の回折光学素子。
6. 前記材料Ａからなる回折格子の格子部の垂直方向の最小厚さをｄｍｉｎ、ｄ線の波長をλとするとき、
   ｄｍｉｎ／λ ＜ １２
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の回折光学素子。
7. 前記材料Ａは、前記材料Ｇよりも成型時の粘性が低いことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の回折光学素子。
8. 前記材料Ｇは、ガラスモールド成型用材料からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の回折光学素子。
9. 前記材料Ａは、樹脂材料を含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の回折光学素子。
10. ガラスモールド用材料Ｇを加熱軟化させた後に、成型用型を押圧して鋸歯形状の格子部より成る回折格子を形成する工程と、
    該回折格子の格子部の鋸歯形状からの変形による位相変化を補填するための該材料Ｇとは異なる材料Ａより成る位相補償部を該回折格子の格子部の先端部に補償用型を用いて成型する工程とを用いて回折光学素子を製造することを特徴とする回折光学素子の製造方法。
11. 前記成型用型と前記補償用型は同一又は同一形状であることを特徴とする請求項１０に記載の回折光学素子の製造方法。
12. 屈折光学素子と、請求項１から１１のいずれかに記載の回折光学素子を有することを特徴とする光学系。
13. 前記光学系は、固体撮像素子に像を形成することを特徴とする請求項１２に記載の光学系。
14. 請求項１２又は１３に記載の光学系と、該光学系によって形成される像を受光する固体撮像素子とを備えることを特徴とする光学機器。